高分子水凝胶的制备与应用

高分子水凝胶的制备与应用

水凝胶是由高聚体和媒体组成的三维交联网络结构的高聚体和介质组成的多个体系。由于存在物理或化学交联结构，该网络不溶于水，并保持其在溶液和生物体中的完整性。充斥于聚合物网络中的水分使交联的大分子链伸展,从而整个材料具备了流体的性质。同时,由于人体组织大多是由蛋白质和多糖网络组成的含有大量水的水凝胶材料,使得水凝胶材料在药物控释、软组织支架构建及活性细胞包载等生物医用材料方面得到了广泛的应用。自1960年Wichterle和Lim制备出聚(甲基丙烯酸-2-羟基乙酯)水凝胶以来,有关高分子水凝胶的设计与合成研究十分活跃。近年来,结构和性能各异的新型高分子水凝胶在组织工程中的应用引起了人们极大的兴趣。组织工程的概念由美国的Langer与Vacanti于1987年共同提出,其定义为应用细胞生物学和工程学的原理和方法,研究和开发能修复和改善损伤组织结构与功能的生物替代物的一门科学。目前组织工程用水凝胶分为天然高分子水凝胶、合成高分子水凝胶和天然与合成高分子复合水凝胶三大类,既要求生物相容性又期望有细胞和分子响应性,这是目前面临的最大挑战。为了得到所需性能的水凝胶,其设计和合成应从物理性能、传质性能和生物相互作用等多方面综合考虑。迄今为止,水凝胶的设计与合成主要有物理交联和化学交联两种途径,如图1所示,其性能也因原料、交联密度和亲疏水性而各异。物理交联型水凝胶的形成主要靠次级键价力的作用如离子间相互作用、氢键及结晶作用、疏水性相互作用等,而化学交联型水凝胶通过共价键形成。本文将从这两个方面对组织工程用水凝胶的设计与合成进展进行阐述。1化学联合产生的水凝胶化学交联型水凝胶是运用传统的合成聚合物的方法或光聚合、辐射聚合等技术,引发共聚或缩聚反应产生共价键而形成的共价交联网络。1.1水凝胶的制备自由基聚合反应交联是用于水凝胶设计与合成比较常用的方法。常用的引发剂有热不稳定的过氧化物体系和氧化还原体系。目前自由基聚合主要采用两种途径:一是通过一种或多种低分子量的烯类单体在交联剂的存在下直接进行聚合反应;二是先使原本不具有聚合反应活性的水溶性聚合物转变为含有可聚合反应基团的衍生物,再进行交联共聚反应。化学交联的聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯(PHEMA)是一种常见的并被广泛应用的水凝胶。这种水凝胶首先由Wichterle和Lim在适当交联剂(乙二醇二甲基丙烯酸酯)的存在下通过甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)共聚交联制得。该水凝胶通过调控交联剂用量而获得良好的溶胀性、渗透性和亲水性,可用作隐形眼镜材料。近期Lord等报道了以PHEMA为基体的水凝胶,由亲水性适度的HEMA单体与高亲水性的甲基丙烯酸酯类(MMA)单体或N-乙基-吡咯烷酮(NVP)单体共聚生成,因其优异的配戴舒适度和氧透过性而取代硬质材料被广泛应用于隐形眼镜生产中。另外,通过HEMA与一些响应性单体共聚交联可以得到基于该凝胶的环境敏感材料。Atta等以三聚氰胺甲基丙烯酰胺及三聚氰胺丙烯酰胺作为交联剂通过自由基聚合制备了具有pH值敏感性和热敏感性的甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)-N-乙烯基吡咯烷酮水凝胶。聚富马酸乙二醇酯(OPF)广泛应用于软骨组织工程中,用以克服传统治疗方法如,自体移植和替代物植入所带来的二次损伤和痊愈困难等缺点。研究显示,在37℃下将兔骨髓干细胞微囊化后加入到OPF中,与载有β1-转化生长因子的明胶微粒混合形成的水凝胶可有效保持微囊化兔骨髓干细胞在培养期间的生物活性并分化形成软骨细胞。一些天然多糖物质也可通过引发剂交联形成具有独特作用的高聚物水凝胶。欧车前(Psyllium)是一种具有药用价值的天然多糖,可通过凝胶化形成新型药物释放系统。Singh等将N,N′-亚甲基双丙烯酸酰胺(N,N′-MBAAm)作为交联剂,以过硫酸铵为引发剂引发欧车前与聚丙烯酰胺形成聚合网络。这种pH敏感型水凝胶网络可对环境作出响应,用于肠道的特定药物释放。不同水溶性聚合物(包括天然的、半合成的和合成的)可转变为带有可聚合反应基团的衍生物后再交联形成水凝胶。亲水性聚合物经过改性为可聚合的衍生物再与适当的交联剂发生反应,通过调节反应条件可获得所需力学性能的水凝胶。Pourjavadi等以过硫酸铵为引发剂,以亚甲基二丙烯酰胺为交联剂将甲基丙烯酰胺接枝到角叉菜胶(Carrageenan)主链上并在碱性条件下形成新型的强吸水性水凝胶,该水凝胶对pH值敏感且在碱性条件下表现出较高的溶胀性能。1.2水凝胶的制备光聚合是合成高分子材料的重要手段之一,由于其节能、无污染、操作方便,因此备受重视。利用光辐射交联形成水凝胶的优势在于反应可在温和的条件下在水溶液中进行,溶液暴露在适当波长的光下可以得到很好地混合,产生迅速、可控、最低量入侵的交联反应,可以避免具有毒性的交联试剂的使用,适合于合成包埋生物活性分子的水凝胶。另外反应能够在生理条件下进行,允许生物活性分子共聚或细胞包埋。Leach等用紫外光交联制备了甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的透明质酸(glycidylmethacrylateHA,GMHA)衍生物水凝胶,研究表明此水凝胶具有细胞相容性和生物可降解性,既能保持透明质酸本身促进内皮细胞增殖的生物活性,又能在一定程度上起到血纤维蛋白的作用。Blanchette等用同样的方法制备了包载有争光霉素(bleomycin)的聚(甲基丙烯酸-接枝-乙二醇)[poly(methacrylicacid-g-ethyleneglycol),P(MAA-g-EG)]凝胶微球,这种凝胶微球对pH值敏感,具有选择释放性,能增强与肠内上皮细胞的相互渗透性从而提高药物利用率,是一种比较理想的口服药物载体材料。Yeo等深入研究了紫外光交联壳聚糖水凝胶在心肌梗塞治疗中的应用。此凝胶体系由壳聚糖与丙烯酰-聚乙二醇-RGD多肽(Acr-PEG-RGD)组成,在预聚物中加入血管内皮细胞生长因子(VEGF)和碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)并在低能量紫外光照射下交联形成的水凝胶可促进生长因子的持续释放。Pitarresi等在无光引发剂条件下将甲基丙烯酸-葡聚糖(methacrylateddextran,DEX-MA)和甲基丙烯酸-α,β-聚(N-2-羟乙基)-DL-天冬酰胺[methacrylated-α,β-poly(N-2-hydroxyethyl)-DL-aspartamide,PHM]光照共交联形成水凝胶。该水凝胶表现出耐胃肠液水解的特性,可有效促进药物释放,延长释放时间,达到治疗肠道炎症的目的。但是值得注意的是,当采用光引发方式制备水凝胶时,引发效率相对较低,对于较大缺损部位的修复,很难做到结构均匀。1.3海藻酸盐水凝胶一些生物相容性聚合物结构中通常含有—OH、—COOH、—NH2等基团,这些基团不仅使聚合物有很好的水溶性,而且通过结构互补官能团之间发生席夫碱、加成及缩合等化学反应,彼此之间形成共价交联键,利用这一特性可设计和合成组织工程用水凝胶。使用醛类化合物特别是戊二醛交联含有羟基或氨基的水溶性聚合物是设计和合成水凝胶比较常用的方法,但戊二醛本身的毒性会影响细胞的生长。因此Draye等将葡聚糖部分氧化形成缩醛结构与明胶交联发生席夫碱反应制备水凝胶。这种自交联体系避免了小分子毒性交联剂的使用,水凝胶的后处理简单且生物相容性良好,可用做烧伤敷料。Balakrishnan等[19—20]制备了氧化海藻酸钠-明胶共价交联水凝胶并评价了其生物相容性。这种可注射水凝胶可以精确控制凝胶时间,无毒且可降解,包载表皮生长因子后可促进伤口的愈合。多功能交联剂与一些水溶性聚合物链上功能基团发生的加成反应也可用来制备水凝胶,凝胶的网络结构可由聚合物和交联剂的浓度精确控制。聚多糖可与1,6-二溴乙烷、1,6-己二异氰酸酯、二乙烯基硫醚等通过加成反应形成水凝胶。George等以戊二醛为交联剂将瓜尔豆胶与海藻酸盐进行交联形成新型水凝胶,克服了原有海藻酸盐水凝胶药物封装效率低以及在碱性肠道环境中分解而发生药物突释等不足,保证了药物的控释。Simi等将瓜尔豆胶与海藻酸盐混合制成水凝胶微球,并将蛋白酶与戊二醛交联形成的结晶体包载于凝胶微球中。由于酶结晶体尺寸较大不易从凝胶微球中泄漏,保证了长期药效,且凝胶微球材料有一定的pH敏感性,避免了胃液的破坏,可用于口服药物的递送。水凝胶同样可以由硫醇和丙烯酸酯或乙烯基砜发生Michael加成反应制得。Hubbel和Metters等[24—28]将含有若干硫醇基团的小分子与多悬臂星型聚乙二醇丙烯酸酯或乙烯基砜反应制备可原位交联水凝胶。其中聚乙二醇丙烯酸酯水凝胶用于人类生长荷尔蒙的释放时,可持续释放数月而保持蛋白质的完整性。所制备的聚乙二醇乙烯基砜水凝胶含有细胞黏附位点和蛋白酶降解位点,促进了细胞向水凝胶内生长。同样,Hiemstra等研究了室温下一步法合成乙烯基砜功能化葡聚糖(Dex-VS)水凝胶的新方法。研究者以巯基链烷酸与过量的二乙烯基砜反应生成乙烯基砜链烷酸,并在N,N′-二环己基碳化二亚胺(DCC)/4-(二甲氨基)吡啶-4-甲苯磺酸盐(DPTS)的催化条件下,与葡聚糖结合形成水凝胶。此类水凝胶可由两种底物以水溶液形式共注射原位快速成型,且可通过含硫醇的生物分子与蛋白质和多肽结合,是理想的组织工程支架材料。多官能团反应物之间如羟基或氨基与羧基之间的缩合反应也可用来制备水凝胶。为了获得力学性能更好的海藻酸盐水凝胶,通常采用不同类型交联剂如己二酰二肼、L-赖氨酸、聚乙二醇-二胺等进行共价交联。这种方法形成的海藻酸盐水凝胶无色透明,含水率高,柔软富有弹性。Tada等利用蛋白质类物质的药物结合能力研究出一种新型水凝胶药物释放系统。在N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-3-3-二甲基氨丙基碳化二亚胺存在下将重组人血清白蛋白(rHSA)作为交联网络节点,与海藻酸钠反应,经过脱水浓缩形成水凝胶。其中rHSA与药物的结合能力以及凝胶与药物的离子相互作用使水凝胶载药量增大,持续释放时间更长。一些蛋白质分子也可以在外界刺激下发生自行凝胶化反应。乳清蛋白可通过其主要成分β-乳球蛋白(BLG)而形成水凝胶。Gunasekaran等应用热引发技术研制了具有pH敏感性的浓缩乳清蛋白(WPC)水凝胶。研究者将WPC与胶囊化封装的药物混合加热到80°C引发形成水凝胶,并将其放入海藻酸盐溶液中形成凝胶化海藻酸盐涂层,用以阻止胃蛋白酶对WPC水凝胶的水解。该水凝胶表现出pH敏感性的特点,可用于生物活性物质的控制释放,且释放性能可根据海藻酸盐涂层进行调整。1.4高能辐射聚合反应高能辐射技术作为一种突破性的技术手段被应用于医学领域。它具有很好的杀菌作用,同时有助于伤口愈合并能减轻痛苦。γ束和电子束多用于聚合不饱和化合物,如乙烯基单体可通过高能辐射交联形成水凝胶。通过单官能团丙烯酸衍生物和适当的交联剂混合发生的高能辐射诱发聚合反应也能制备水凝胶。而不添加乙烯基单体的情况下,高能辐射也能使水溶性聚合物发生交联。由于产生的自由基能与氧反应,所以辐射聚合反应通常在惰性环境下进行。常见的可利用高能辐射交联的聚合物主要有聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮等。Lu等通过Co60-γ束辐射交联得到PNIPAAm-PMMA互穿网络水凝胶。这种凝胶既有明显的温敏性又具有较高的力学强度和相对收缩率。另外,部分天然高分子材料也可通过高能辐射交联形成水凝胶。一些温敏性水凝胶可通过辐射交联制得。Zhao等利用γ束或电子束辐射高浓度聚糖衍生物制备出水凝胶,研究表明该水凝胶具有良好的生物降解性和抗菌性。近期Inoue等用γ束照射处于酸性溶液中的Ⅰ型胶原引发交联得到一种新型胶原水凝胶。辐射使这种酸性凝胶中起交联点作用的酪氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和甲硫氨酸含量减少,从而含水量更低并且收缩更加明显。研究表明,水凝胶的溶胀性和渗透性主要取决于聚合物的含量和辐射剂量。一般来说,交联密度随着聚合物含量和辐射剂量的增加而增加。1.5葡聚糖基水凝胶酶催化交联水凝胶在凝胶形成过程中由于没有使用化学引发剂和有机溶剂,取得了良好的生物相容性,为水凝胶在组织工程中的应用提供了极大可能。Jin等近期研究了基于酶交联反应的新型葡聚糖水凝胶。该凝胶可由两种葡聚糖-酪氨酸复合物分别生成。一种为葡聚糖-酪氨酸(Dex-TA),以氨基甲酸乙酯键相连;另一种为葡聚糖-二甘醇-酪氨酸(Dex-DG-TA),以含有酯键的二甘醇基团相连。以双氧水为氧化剂,并以辣根过氧化物酶(HRP)为催化剂,这种生物相容性和细胞毒性良好的原位成型酶交联葡聚糖基水凝胶可快速生成,并被应用于可注射药物释放系统。血纤蛋白原被广泛用于外科密封和黏合剂,在伤口愈合中起重要作用。血纤蛋白原在凝血酶存在下于室温酶促聚合可形成水凝胶,该水凝胶由于由患者的自体血液制备得来,避免了降解产物毒性和炎症反应的出现,可作为自体组织工程支架用于蛋白质递送。在细胞移植和创伤治愈中血纤蛋白原可被细胞协同酶降解和重塑[39—40]。综上所述,通过化学方法交联形成的水凝胶具有更强的力学强度和更好的稳定性,保证了材料在应用中的力学要求和降解性能。但在制备过程中往往需要大量使用光引发剂、交联剂以及有机溶剂等具有细胞毒性的添加剂,造成水凝胶的非生物相容性。即使是无引发剂的光交联反应在制备水凝胶时也会引起局部温度过热而损伤周围的细胞和组织。这些不利因素需要通过化学交联方法的改进和完善来加以弥补。2网络结构的结构物理交联型水凝胶是指由于分子链缠结和离子、氢键、疏水相互作用的存在而形成的网络结构。物理交联点是形成物理交联型水凝胶的条件,可通过离子间相互作用、疏水相互作用、结晶及氢键作用等方式形成。2.1海藻酸钠基壳聚糖凝胶微球离子交联型水凝胶可分为两种,一种为聚电解质与带相反电荷的多价离子键合所形成的物理交联型水凝胶,又称为离子包埋型水凝胶;另一种为带相反电荷的两种聚电解质相互作用形成的物理交联体系,称为聚电解质复合物。两种离子交联型水凝胶形成机理如图2所示。最常见的离子交联型水凝胶是海藻酸盐水凝胶。海藻酸钠是一种从褐藻中提取出的阴离子线性多糖,因其生物相容性、低毒性和相对低廉的价格而被广泛地研究应用于药物释放体系和组织工程领域。它极易和二价阳离子如Ca2+键合形成水凝胶,并且离子交联的海藻酸盐水凝胶具有反应条件温和,简单易行,且可注射、原位凝胶化等优点。Lin等用Ca2+交联制备了具有pH敏感性的海藻酸钠-羧甲基壳聚糖凝胶微球,此类微球可作为肠内生物蛋白药物释放载体使用。Yan等用Ca2+交联海藻酸钠-明胶形成水凝胶,并用细胞组装机将肝细胞种植于凝胶中形成细胞-凝胶三维结构,细胞能够在凝胶中保持活性长达12天并正常表达其生物功能,这种三维结构在组织或器官再生方面具有较好的应用前景。Wang等将碳酸钙微粒与海藻酸盐结合形成新型杂化水凝胶。研究者通过D-葡萄糖酸-δ-内酯逐渐水解使pH值降低,原位引发碳酸钙微粒中钙离子游离,与海藻酸盐交联形成凝胶,同时使碳酸钙微粒多孔化。碳酸钙多孔微粒可以更好地吸附药物,并且由于形成交联网络节点而达到增强力学强度的目的。这种碳酸钙微粒杂化水凝胶具有更好的载药能力,可被应用于组织工程领域。Gomez等研究了海藻酸钠/β-环糊精复合水凝胶。由于接枝环糊精的空间效应减少了离子链使得该水凝胶更加地柔软。Charlot等也应用同样的方法合成了β-环糊精交联透明质酸水凝胶。Ko等将磷酸钠/海藻酸盐混合溶液与氯化钙溶液按不同顺序逐滴滴加形成磷酸钙-海藻酸盐复合多孔水凝胶微粒。该种凝胶材料具有很强的力学强度,适于细胞及药物的吸附,可作为基因转载的载体。并且由于磷酸钙本身的性质,使得该凝胶适于骨修复方面的应用。但是离子交联型海藻酸盐水凝胶易通过二价阳离子的流失而解体,从而使凝胶结构性能不稳定。为了解决这个问题,除了采用共价交联合成海藻酸盐水凝胶外,还可通过添加聚阳离子如壳聚糖、聚赖氨酸、聚乙烯亚胺与海藻酸钠形成强络合物结构来稳定凝胶并减少多孔性。Liu等以钙离子交联海藻酸盐水凝胶为基础研究了新型凝胶微球。研究者将含有不溶性碳酸钙的海藻酸盐溶液加到菜油中并加入表面活性剂快速搅拌形成油包水乳液,调低pH值后释放钙离子引发交联形成凝胶微球,再经亲水作用将葡萄糖氧化酶(GOX)吸附于微球表面,并通过聚合物电解质络合作用加入阳离子壳聚糖涂层以减少凝胶微球的微孔,起到稳定作用,最终将GOX固定于海藻酸盐/壳聚糖微球(ACMS)中,形成了蛋白质药物递送系统。2.2聚合物网络水凝胶的形成机理这种水凝胶的形成原理是:高分子在溶液中呈无规线团分布,随着温度的升高或降低,分子运动加剧,无规线团结构遭到破坏而相互缠绕形成螺旋或有序结构,从而形成凝胶。这种凝胶的形成是一种可逆的过程,如图3所示。凝胶的形成主要归因于微晶的形成,这些微晶在网络中起到物理交联点的作用。天然的聚合物如明胶、多糖等也可以通过结晶作用形成水凝胶。在水凝胶的形成过程中,明胶中三螺旋构象和多糖中双螺旋构象的变性复原作用促使晶核的形成和微晶的生长。螺旋结构的形成和聚集为水凝胶的形成提供了结合位点。大多数天然高分子材料降温形成凝胶相,而一些纤维素衍生物的水溶液升温时形成凝胶。聚乙烯醇(PVA)水溶液通过反复冷冻-解冻循环处理可得到一种高强度、高弹性的水凝胶。Shaheen等制得了包埋牛血清白蛋白的PVA凝胶可控释放载体。聚丙烯酸(PAAc)和聚N,N′-二甲基丙烯酰胺(PDMAAm)网络互穿而成的聚合物网络(IPN)水凝胶是通过氢键进行交联的。此类IPN中的PAAc和PDMAAm间通过分子间和分子内氢键形成水凝胶。随着温度的升高,氢键的相互作用会减弱。因此,在低温时IPN水凝胶网络内形成氢键使其体积收缩,高温时氢键解体,使水凝胶溶胀。2.3水凝胶的制备两性嵌段或接枝共聚物在水溶液中能借助高聚物间的缔合作用自组装形成胶束或层状的有序结构。利用这一原理可制备物理交联型水凝胶。Hiemstra等研究了基于聚乙二醇-聚丙交酯的星型嵌段水凝胶。研究者以单位点的乙基锌(ethylzinc)复合物为催化剂,以八悬臂的聚乙二醇为引发剂,在生理条件下原位生成,凝胶时间可通过改变PLA嵌段长度和聚合物浓度来加以控制,并具有良好的力学性能,可用于生物医学领域。在一定条件下两亲性高聚物可通过